加州圣华金盆地Temblor砂岩中循环地下储氢的实验室评估：揭示高效储氢机制与岩石相互作用

为解决可再生能源季节性波动带来的储能挑战，研究人员针对Temblor砂岩开展了循环地下氢储（UHS）实验。通过模拟储层压力条件，揭示了H2 -盐水相对渗透率动态及蒸发干燥效应，发现循环注入可使H2 饱和度提升至94%，显著提高储层利用率。该研究为砂岩储层UHS设计提供了关键参数，并证实了低化学反应风险，对规模化氢能储存具有重要指导意义。

　　

在全球能源转型背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注，但其储存难题制约了规模化应用。地下储氢（Underground Hydrogen Storage, UHS）利用枯竭油气藏或咸水层，被认为是最具成本效益的大规模储能方案之一。然而，H₂
分子尺寸小、粘度低，且与岩石-流体系统存在复杂相互作用，导致储层效率预测困难。尤其缺乏循环注入条件下H₂
运移特性和长期地质化学影响的数据，这成为制约UHS技术落地的关键瓶颈。

针对这一挑战，国外研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，以加州圣华金盆地Temblor砂岩为研究对象，通过高压岩心驱替实验模拟了10次H₂
充放循环过程。研究采用非稳态Johnson-Bossler-Naumann（JBN）法测定相对渗透率，结合质谱仪实时监测产出气成分，并利用ICP-OES分析流体化学变化。岩心样本取自非含油区，孔隙度23.5%，含48%石英和29.4%正长石，含分散化石碎片。

H₂
饱和度演化规律
首次注入4倍孔隙体积（PV）H₂
时，突破饱和度仅15-25%，最终饱和度稳定在38-41%。但通过双向流动模拟井周区域，10次循环后饱和度线性增至94%，证实蒸发干燥主导后期饱和度提升。产出气含水蒸气8-22%，直接证明干燥带形成。

相对渗透率滞后效应
H₂
驱替盐水时交叉点饱和度达60%，显示强水湿特性；盐水反驱时H₂
相渗透率骤降，残余气饱和度高达40%，表明循环操作将导致H₂
滞留。

岩石化学与力学响应
ICP-OES检测到Ca²⁺
（化石溶解）、Si⁴⁺
（石英溶解）浓度上升，但未检出CH₄
或H₂
S。矿物溶解导致胶结损失，岩心渗透率下降16-26%，压缩系数降低，最终沿化石层出现断裂。

该研究首次揭示了循环UHS中井周干燥带形成机制，其积极意义在于：干燥带可提升储层有效容积并抑制化学反应，但盐结晶和矿物溶解可能损害储层完整性。针对Temblor砂岩，建议采用H₂
垫层气减少残余滞留，并警惕长周期运行中的力学风险。这些发现为砂岩储层UHS设计提供了实验依据，尤其对加州可再生能源枢纽的氢能基础设施建设具有直接指导价值。未来需通过数值模拟量化干燥带扩展范围，并评估含残余油藏中的纯度风险。